熱とエントロピーの物理学 (S15I)

日本大学理工学部

2025年理工学部シラバス - 教養教育・外国語・保健体育・共通基礎

設置情報

科目名	熱とエントロピーの物理学熱現象の物理入門
設置学科	一般教育	学年	1年
担当者	鈴木　徳一	履修期	後期
単位	2	曜日時限	月曜5
校舎	船橋	時間割CD	S15I
クラス
履修系統図	履修系統図の確認

概要

学修到達目標	物質は膨大な個数の原子、分子から成り立っている。個々の粒子の運動は複雑であるが、統計的観点からみると、非常にシンプルな巨視的法則が存在する。これが熱力学と呼ばれる物理法則体系である。本講座では、この理工系物理学の基礎のひとつである、熱力学の習得を目標とする。
授業形態及び授業方法	「対面授業」理論の数学的側面と物理的側面のバランスをとりながら、この分野への入門となるよう留意して講義を進める。適宜、演習を行い、深い理解に到達できるようにする。
履修条件	共通基礎選択。微分積分学、力と運動の物理学I、もしくは物理学Iを履修していることが望ましい。
ディプロマ・ポリシー（DP）及びカリキュラム・ポリシー（CP）との関連	本授業科目はDP1・3及びCP1・3に該当しています。

授業計画

第1回	ガイダンスと熱力学の発展史。理工学部で物理学を学ぶ中での「熱力学」の位置づけ。	【事前学修】第１回目の内容について、参考書を用いて予習しておくこと。【事後学修】課題、講義ノート、参考書、講義動画を用いて、第１回目の内容について復習しておくこと。	【事前学修】（６０分）【事後学修】（１８０分）
第2回	熱平衡と温度（熱力学第０法則）。熱運動と温度。	【事前学修】第２回目の内容について、参考書を用いて予習しておくこと。【事後学修】課題、講義ノート、参考書、講義動画を用いて、第２回目の内容について復習しておくこと。	【事前学修】（６０分）【事後学修】（１８０分）
第3回	状態変数と状態方程式。理想気体。理想気体の状態方程式の実験結果からの導出。	【事前学修】第３回目の内容について、参考書を用いて予習しておくこと。【事後学修】課題、講義ノート、参考書、講義動画を用いて、第３回目の内容について復習しておくこと。	【事前学修】（６０分）【事後学修】（１８０分）
第4回	理想気体の状態方程式の理論的導出。ドルトンの分圧の法則。力学の復習（ニュートンの運動の３法則、力積と運動量）。	【事前学修】第４回目の内容について、参考書を用いて予習しておくこと。【事後学修】課題、講義ノート、参考書、講義動画を用いて、第４回目の内容について復習しておくこと。	【事前学修】（６０分）【事後学修】（１８０分）
第5回	熱力学第１法則（仕事、内部エネルギー、熱量）。準静的過程。状態量の定義。内部エネルギーが状態量であること。仕事が状態量でないこと。理想気体の内部エネルギー。	【事前学修】第５回目の内容について、参考書を用いて予習しておくこと。【事後学修】課題、講義ノート、参考書、講義動画を用いて、第５回目の内容について復習しておくこと。	【事前学修】（６０分）【事後学修】（１８０分）
第6回	熱力学第１法則。熱源（熱浴）に接触する系。様々な準静的過程（等温過程、定圧過程、定積過程）。熱量が状態量でないこと。トピックス：マイヤーが熱力学第１法則の着想に至るまで。	【事前学修】第６回目の内容について、参考書を用いて予習しておくこと。【事後学習】課題、講義ノート、参考書、講義動画を用いて、第６回目の内容について復習しておくこと。	【事前学修】（６０分）【事後学修】（１８０分）
第7回	熱容量と比熱。第１法則の理想気体への応用。定積モル比熱と定圧モル比熱をなぜ導入するのか。偏微分と全微分。	【事前学修】第７回目の内容について、参考書を用いて予習しておくこと。【事後学修】課題、講義ノート、参考書、講義動画を用いて、第７回目の内容について復習しておくこと。	【事前学修】（６０分）【事後学修】（１８０分）
第8回	多原子分子理想気体。エネルギー等分配則の紹介。準静的断熱過程と第１法則。ポアソンの関係式。	【事前学修】第８回目の内容について、参考書を用いて予習しておくこと。【事後学修】課題、講義ノート、参考書、講義動画を用いて、第８回目の内容について復習しておくこと。	【事前学修】（６０分）【事後学修】（１８０分）
第9回	カルノーサイクルと熱機関の効率。ジュール・トムソン過程。	【事前学修】第９回目の内容について、参考書を用いて予習しておくこと。【事後学修】課題、講義ノート、参考書、講義動画を用いて、第９回目の内容について復習しておくこと。	【事前学修】（６０分）【事後学修】（１８０分）
第10回	熱力学第２法則。可逆過程と不可逆過程。クラウジウスの原理とトムソンの原理。	【事前学修】第１０回目の内容について、参考書を用いて予習しておくこと。【事後学修】課題、講義ノート、参考書、講義動画を用いて、第１０回目の内容について復習しておくこと。	【事前学修】（６０分）【事後学修】（１８０分）
第11回	クラウジウスの不等式（第２法則の数学的表現）熱機関の効率。可逆熱機関。熱力学的温度。	【事前学修】第１１回目の内容について、参考書を用いて予習しておくこと。【事後学修】課題、講義ノート、参考書、講義動画を用いて、第１１回目の内容について復習しておくこと。	【事前学修】（６０分）【事後学修】（１８０分）
第12回	エントロピー（１）エントロピーが状態量であること。様々な準静的過程におけるエントロピー変化。	【事前学修】第１２回目の内容について、参考書を用いて予習しておくこと。【事後学修】課題、講義ノート、参考書、講義動画を用いて、第１２回目の内容について復習しておくこと。	【事前学修】（６０分）【事後学修】（１８０分）
第13回	エントロピー（２）カルノーサイクルにおけるエントロピー。示量変数と示強変数。不可逆過程におけるエントロピー変化（エントロピー増大の法則）。カラテオドリの原理。	【事前学修】第１３回目の内容について、参考書を用いて予習しておくこと。【事後学修】課題、講義ノート、参考書、講義動画を用いて、第１３回目の内容について復習しておくこと。	【事前学修】（６０分）【事後学修】（１８０分）
第14回	エントロピー（３）不可逆過程とエントロピーの確率論的意味。ボルツマンエントロピー。様々なエントロピー変化のマクスウェル分布による定性的考察。	【事前学修】第１４回目の内容について、参考書を用いて予習しておくこと。【事後学修】課題、講義ノート、参考書、講義動画を用いて、第１４回目の内容について復習しておくこと。	【事前学修】（６０分）【事後学修】（１８０分）
第15回	平常試験及びその解説	【事前学修】第１回目から第１４回目の内容の学修	【事前学修】(２４０分)

その他

教科書	指定しない。適宜資料を配布。
参考書	戸田盛和『熱・統計力学』物理入門コース岩波書店エンリコ・フェルミ『フェルミ熱力学』三省堂 1973年朝永振一郎『物理学とは何だろうか　　上、　下』岩波書店原島鮮『熱学演習―熱力学』基礎物理学選書 (18) 裳華房原島鮮『熱力学・統計力学』培風館砂川重信『熱・統計力学の考え方』物理の考え方岩波書店藤原邦男『熱学入門』東京大学出版会菊川芳夫『熱力学』講談社松下　貢『物理学講義　熱力学』裳華房三宅哲『熱力学』裳華房押田勇雄、藤城敏『熱力学』基礎物理学選書裳華房妹尾学『熱力学』サイエンス社国友正和『基礎　熱力学』共立出版テル・ハール、ヴェルゲランド『基礎熱力学』岩波書店リチャード・ファインマン『ファインマン物理学（光、熱、波動）』岩波書店松平升、大槻義彦、和田正信『理工教養　物理学I,II』培風館ランダウ、アヒエゼール、リフシッツ『物理学ー力学から物性論までー』岩波書店 Sadi.Carnot (広重徹　訳) 『カルノー・熱機関の研究』みすず書房マックス・ボルン『原因と偶然の自然哲学』みすず書房山本義隆『熱学思想の史的展開　1~3』筑摩書房ハイゼンベルグ『量子論の物理的基礎』みすず書房シュレーディンガー『生命とは何か: 物理的にみた生細胞』岩波文庫青 946-1 岩波書店スティーヴン・W. ホーキング『ホーキング、宇宙を語る―ビッグバンからブラックホールまで』ハヤカワ文庫 NF 190 早川書房 S. ワインバーグ『宇宙創成はじめの3分間』ちくま学芸文庫筑摩書房和達三樹『物理のための数学』物理入門コース岩波書店安達忠次『ベクトル解析』培風館ジョージ.ブラウン・アルフケン, ハンス.J・ウェーバー他『基礎物理数学1~4』講談社マージナウ・マーフィー『物理と化学のための　数学I,II（改訂版）』共立出版糸井千岳、糸井充穂、鈴木正『明解　熱力学』共立出版 2023年他の参考書については授業中に指示する。
成績評価の方法及び基準	平常試験（７割程度）及び平常点（３割程度）による。通常の授業への取り組みかたを“重視”する(平常点：復習用レポート課題と小テストなど)。
定期試験等について	理解度確認期間(１４週目又は１５週目)に平常試験を実施予定
質問への対応	オフィスアワー：水曜日　午後０時１５分～午後１時１５分（１号館　２階　122B室）。その他、おもに、月、水曜日に質問を受け付けます。
研究室又は連絡先	1号館・2階・122B研究室メールアドレスは、講義時にお知らせします。
オフィスアワー	水曜船橋 12:15 ～ 13:15
学生へのメッセージ	必ず毎回授業に出席すること。授業に出席する際、必ず自分の手でノートをとること。授業後は復習をすること。

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